JP2013161932A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of forming a single crystal semiconductor layer at a plurality of places spaced apart each other on a substrate.SOLUTION: In a method of manufacturing a semiconductor device, firstly, a master substrate 50 is prepared where a plurality of single crystal Si layers 52a-52h are formed spaced apart each other, and an amorphous Si layer 12 is formed on a substrate 11. Then, CeOfilms 61 and 62 are formed on at least one of the master substrate 50 and the substrate 11. After that, the single crystal Si layers 52a-52h on the master substrate 50 and the amorphous Si layer 12 on the substrate 11 are contacted through the CeOfilms 61 and 62 and heated. The CeOfilm 62 and the amorphous Si layer 12 are crystallized to match crystal structure and crystal orientation with those of the single crystal Si layers 52a-52h, thereby single crystal Si layers 12a-12h are formed. Then, while the single crystal Si layers 52a-52h and the single crystal Si layers 12a-12h are left out, the CeOfilms 61 and 62 are removed, thus the master substrate 50 is separated from the substrate 11.

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a method for manufacturing a semiconductor device.

従来、アモルファスの第1半導体層上に所定の結晶方位を有するCeO2膜を堆積し、さらにその上にアモルファスの第2半導体層を形成した後、固相成長させてCeO2膜の結晶方位を第1半導体層と第2半導体層に受け継がせて、所定の結晶方位に配向した単結晶または多結晶の第1半導体層と第2半導体層を形成する技術が知られている。そして、このような技術を用いて、SOI(Silicon-On-Insulator)基板に電界効果型トランジスタが形成されている。 Conventionally, a CeO 2 film having a predetermined crystal orientation is deposited on an amorphous first semiconductor layer, an amorphous second semiconductor layer is further formed thereon, and then solid phase growth is performed to change the crystal orientation of the CeO 2 film. A technique is known in which a single crystal or polycrystalline first semiconductor layer and second semiconductor layer oriented in a predetermined crystal orientation are inherited by a first semiconductor layer and a second semiconductor layer. A field effect transistor is formed on an SOI (Silicon-On-Insulator) substrate using such a technique.

しかしながら、従来技術では、CeO2膜はアモルファスの第1半導体層上に形成されるので、第1半導体層の面内の離隔した複数の位置に単結晶の半導体層を形成するには、固相成長させた後にリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて処理を行わなければならないという問題点があった。また、従来技術では、CeO2膜はアモルファスの第1半導体層上に形成されるのでその結晶方位は、第1半導体層の面内の位置に依らず一定である。そのため、たとえば1つの基板内に異なる結晶方位を有する複数の単結晶の半導体層を形成することはできないという問題点があった。 However, in the prior art, the CeO 2 film is formed on the amorphous first semiconductor layer. Therefore, in order to form a single crystal semiconductor layer at a plurality of positions separated in the plane of the first semiconductor layer, a solid phase is used. There has been a problem that processing must be performed using a lithography technique and an etching technique after the growth. In the prior art, since the CeO 2 film is formed on the amorphous first semiconductor layer, the crystal orientation is constant regardless of the position in the plane of the first semiconductor layer. Therefore, for example, there is a problem that a plurality of single crystal semiconductor layers having different crystal orientations cannot be formed in one substrate.

特開2003−168647号公報JP 2003-168647 A

本発明の一つの実施形態は、基板上の離隔した複数箇所に単結晶半導体層を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   An object of one embodiment of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device in which a single crystal semiconductor layer can be formed at a plurality of spaced locations on a substrate.

本発明の一つの実施形態によれば、まず、第1基体準備工程で、複数の第1単結晶半導体層が離隔して形成された絶縁性の第1基体を準備する。ついで、第1アモルファス半導体層形成工程で、絶縁性の第2基体上に前記第1単結晶半導体層と同じ材料からなる第1アモルファス半導体層を形成する。その後、第1媒体膜形成工程で、前記第1基体または前記第2基体の少なくとも一方に、前記第1単結晶半導体層および前記第1アモルファス半導体層と選択的に除去可能で、下地の結晶構造を引き継いで結晶化する材料からなる第1媒体膜を形成する。ついで、接触工程で、前記第1基体の第1単結晶半導体層と前記第2基体の前記第1アモルファス半導体層とを前記第1媒体膜を介して接触させる。その後、結晶化工程で、前記第1単結晶半導体層と前記第1アモルファス半導体層とが前記第1媒体膜を介して接触した状態で加熱し、前記第1媒体膜と前記第1アモルファス半導体層とを前記第1単結晶半導体層の結晶構造と結晶方位と整合して結晶化させ、前記第1単結晶半導体層の形成領域に対応する領域に第2単結晶半導体層を形成する。そして、第1媒体膜除去工程で、前記第1単結晶半導体層および前記第2単結晶半導体層を残存させつつ前記第1媒体膜を除去し、前記第1基体と前記第2基体とを分離する。   According to one embodiment of the present invention, first, in the first substrate preparation step, an insulating first substrate in which a plurality of first single crystal semiconductor layers are formed apart from each other is prepared. Next, in the first amorphous semiconductor layer forming step, a first amorphous semiconductor layer made of the same material as that of the first single crystal semiconductor layer is formed on the insulating second substrate. Thereafter, in the first medium film forming step, the first single crystal semiconductor layer and the first amorphous semiconductor layer can be selectively removed on at least one of the first base or the second base, and the underlying crystal structure To form a first medium film made of a material that crystallizes. Next, in the contacting step, the first single crystal semiconductor layer of the first substrate and the first amorphous semiconductor layer of the second substrate are brought into contact with each other through the first medium film. Thereafter, in the crystallization step, the first single crystal semiconductor layer and the first amorphous semiconductor layer are heated in contact with each other via the first medium film, and the first medium film and the first amorphous semiconductor layer are heated. Are aligned with the crystal structure and crystal orientation of the first single crystal semiconductor layer to form a second single crystal semiconductor layer in a region corresponding to the formation region of the first single crystal semiconductor layer. Then, in the first medium film removal step, the first medium film is removed while leaving the first single crystal semiconductor layer and the second single crystal semiconductor layer, and the first base and the second base are separated. To do.

図1は、第1の実施形態による半導体装置の構成の一例を模式的に示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example of the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. 図2−1は、第1の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図である(その1)。FIG. 2-1 is a perspective view schematically showing an example of a procedure of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment (part 1). 図2−2は、第1の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図である(その2)。FIG. 2-2 is a perspective view schematically showing an example of a procedure of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment (part 2). 図2−3は、第1の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図である(その3)。FIG. 2-3 is a perspective view schematically showing an example of a procedure of the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment (No. 3). 図2−4は、第1の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図である(その4)。2-4 is a perspective view schematically showing one example of a procedure of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment (No. 4). FIG. 図2−5は、第1の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図である(その5)。2-5 is a perspective view schematically showing an example of a procedure of the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment (No. 5). FIG. 図3は、原版基体の構造の他の例を模式的に示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view schematically showing another example of the structure of the original substrate. 図4−1は、第2の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す図である(その1)。FIGS. 4-1 is a figure which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the semiconductor device by 2nd Embodiment (the 1). 図4−2は、第2の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す図である(その2)。FIGS. 4-2 is a figure which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the semiconductor device by 2nd Embodiment (the 2). 図5は、第3の実施形態による半導体装置の製造システムの構成を模式的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing a configuration of a semiconductor device manufacturing system according to the third embodiment. 図6は、第4の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing an example of the procedure of the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment. 図7は、第5の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図である。FIG. 7 is a perspective view schematically showing an example of the procedure of the semiconductor device manufacturing method according to the fifth embodiment.

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体装置の製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態で用いられる半導体装置の斜視図や断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合がある。   Exemplary embodiments of a method for manufacturing a semiconductor device will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments. In addition, the perspective view and cross-sectional view of the semiconductor device used in the following embodiments are schematic, and the relationship between the thickness of the layer and the width, the ratio of the thickness of each layer, and the like may be different from the actual ones. .

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態による半導体装置の構成の一例を模式的に示す斜視図である。この半導体装置は、絶縁材料からなる基体11上に、複数の単結晶半導体層がメサ型に形成されている。すなわち、各単結晶半導体層は基体11上に離隔して配置され、隣接する単結晶半導体層間が電気的に分離される構造となっている。ここでは、単結晶半導体層として、直方体状の単結晶Si層12a〜12hが用いられている。各単結晶Si層12a〜12hには、電界効果型トランジスタなどの素子が形成されている。また、単結晶Si層12a〜12hの上面は必ずしも同一の結晶面を有している必要はなく、各単結晶Si層12a〜12hに形成される電界効果型トランジスタなどの素子特性に適した結晶面を有するように設定することができる。図1の例では、基体11上の各領域R1〜R3に、それぞれ異なる結晶方位の単結晶Si層12a〜12hが形成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example of the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. In this semiconductor device, a plurality of single crystal semiconductor layers are formed in a mesa shape on a base 11 made of an insulating material. That is, each single crystal semiconductor layer is arranged on the base 11 so as to be separated from each other, and the adjacent single crystal semiconductor layers are electrically separated. Here, rectangular parallelepiped single crystal Si layers 12a to 12h are used as the single crystal semiconductor layers. In each single crystal Si layer 12a to 12h, an element such as a field effect transistor is formed. Further, the upper surfaces of the single crystal Si layers 12a to 12h are not necessarily required to have the same crystal plane, and crystals suitable for device characteristics such as field effect transistors formed on the single crystal Si layers 12a to 12h. It can be set to have a surface. In the example of FIG. 1, single crystal Si layers 12 a to 12 h having different crystal orientations are formed in the regions R <b> 1 to R <b> 3 on the substrate 11.

領域R1には、上面が{100}面であり、長手方向を法線とする面が{110}面である直方体状の単結晶Si層12a〜12cが所定の間隔で基体11上に配置されている。また、領域R2には、上面が{111}面であり、長手方向を法線とする面が{101}である直方体状の単結晶Si層12d,12eが所定の間隔で基体11上に配置されており、領域R3には、上面が{110}面であり、長手方向を法線とする面が{110}である直方体状の単結晶Si層12f〜12hが所定の間隔で配置されている。   In the region R1, rectangular parallelepiped single crystal Si layers 12a to 12c whose upper surface is the {100} plane and whose plane normal to the longitudinal direction is the {110} plane are arranged on the substrate 11 at predetermined intervals. ing. Also, in the region R2, rectangular parallelepiped single crystal Si layers 12d and 12e whose upper surface is the {111} plane and whose plane normal to the longitudinal direction is {101} are arranged on the substrate 11 at a predetermined interval. In the region R3, rectangular parallelepiped single-crystal Si layers 12f to 12h whose upper surface is the {110} plane and whose plane normal to the longitudinal direction is {110} are arranged at predetermined intervals. Yes.

基体11としては、ガラス基板やセラミックス基板などの無機材料からなる絶縁性基板や、ポリイミドなどの有機材料からなる絶縁性基板などを用いることができる。また、単結晶半導体層としては、Siではなく、Ge,GaAs,GaNなどの他の半導体材料を用いてもよい。   As the substrate 11, an insulating substrate made of an inorganic material such as a glass substrate or a ceramic substrate, an insulating substrate made of an organic material such as polyimide, or the like can be used. Further, as the single crystal semiconductor layer, other semiconductor materials such as Ge, GaAs, and GaN may be used instead of Si.

つぎに、このような構成の半導体装置の製造方法について説明する。図2−1〜図2−5は、第1の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図である。まず、図2−1(a)に示されるように、原版基体(Master Substrate)50を用意する。このような原版基体50は、たとえばシリコン酸化物などの絶縁材料からなる基体51上に、単結晶半導体層である複数の単結晶Si層52a〜52hがそれぞれ離隔して配置されている。各単結晶Si層52a〜52hの上面(水平面)は必ずしも同一の結晶面を有している必要はない。この例では、基体51上に3つの領域R11〜R13が設けられており、領域R11には、上面は{100}面であり、長手方向を法線とする面は{110}面である直方体状の単結晶Si層52a〜52cが所定の間隔で配置され、領域R12には、上面は{111}面であり、長手方向を法線とする面は{101}である直方体状の単結晶Si層52d,52eが所定の間隔で配置され、領域R13には、上面は{110}面であり、長手方向を法線とする面は{110}である直方体状の単結晶Si層52f〜52hが所定の間隔で配置されている。なお、これらの単結晶Si層52a〜52hの配置は、図1に示される配置とは鏡面対称となるように配置される。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device having such a configuration will be described. 2A to 2E are perspective views schematically illustrating an example of the procedure of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. First, as shown in FIG. 2A, an original substrate 50 (Master Substrate) is prepared. In such an original substrate 50, for example, a plurality of single crystal Si layers 52a to 52h, which are single crystal semiconductor layers, are disposed on a substrate 51 made of an insulating material such as silicon oxide. The upper surfaces (horizontal planes) of the single crystal Si layers 52a to 52h are not necessarily required to have the same crystal plane. In this example, three regions R11 to R13 are provided on the base 51, and the upper surface of the region R11 is a {100} plane, and a plane whose normal is the longitudinal direction is a {110} plane. -Shaped single crystal Si layers 52a to 52c are arranged at predetermined intervals, and in the region R12, the upper surface is a {111} plane, and the plane whose normal is the longitudinal direction is {101}. Si layers 52d and 52e are arranged at predetermined intervals, and in the region R13, the upper surface is a {110} plane, and the plane whose normal is the longitudinal direction is {110}. 52h are arranged at a predetermined interval. The single crystal Si layers 52a to 52h are arranged so as to be mirror-symmetric with respect to the arrangement shown in FIG.

原版基体50のサイズとしては、たとえば1cm×1cmとすることができ、単結晶Si層52a〜52hのサイズとしては、形成する素子の数や配置方法によって異なるがたとえば数μm〜サブμm×数mmとすることができる。ただし、これは一例であり、任意のサイズとすることができる。また、図1では、原版基体50の形状は正方形状であるが、長方形などの任意のサイズの任意の形状とすることができる。   The size of the original substrate 50 can be, for example, 1 cm × 1 cm, and the size of the single crystal Si layers 52a to 52h varies depending on the number of elements to be formed and the arrangement method, for example, several μm to sub μm × several mm. It can be. However, this is only an example, and an arbitrary size can be used. In FIG. 1, the original substrate 50 has a square shape, but may have an arbitrary shape such as a rectangle.

このような、原版基体50は、たとえば以下に示す公知の方法によって形成することができる。まず、SOI基板上の単結晶Si層を、フォトリソグラフィ技術やRIE(Reactive Ion Etching)法などのエッチング技術などを用いて、所望の形状、たとえば図2−1(a)の領域R11に示されるような形状に加工する。所望の形状に加工された単結晶Si層52a〜52cの下部酸化膜をHF溶液などによって、等方的に侵食させる。その後、加工された単結晶Si層52a〜52cを、たとえばPDMS(Polydimethylsiloxane)のような可撓性と密着性に優れた物質に吸着させ、単結晶Si層52a〜52cのみをSOI基板から分離する。続いて、単結晶Si層52a〜52cを吸着したPDMSを、基体51に単結晶Si層52a〜52cと基体51とが密着するように接触させる。なお、HCl/H22混合溶液中などで処理することによって、単結晶Si層52a〜52cの下部に薄い酸化膜を形成しておくことが望ましい。このとき、接触した単結晶Si層52a〜52cと基体51とは、親水性表面に存在するOH基による水素結合によって接合される。この後、PDMSのみを剥離することで、基体51上に単結晶Si層52a〜52cが形成される。単一の結晶方位の単結晶Si層52a〜52cのみを有する原版基体50を形成する場合には、以上で処理が終了するが、異なる結晶方位の複数の単結晶Si層52a〜52hを有する原版基体50を得るには、異なる結晶方位のSOI基板を用いて、上記した処理を他の領域R12,R13についても繰り返し実行すればよい。以上によって、原版基体50が完成する。なお、この原版基体50は、図1に示される基体11を形成する際の原版となるものであり、繰り返し使用されるものである。 Such an original substrate 50 can be formed by, for example, a known method shown below. First, the single crystal Si layer on the SOI substrate is shown in a desired shape, for example, a region R11 in FIG. 2-1 (a) by using an etching technique such as a photolithography technique or an RIE (Reactive Ion Etching) method. Process into a shape like this. The lower oxide films of the single crystal Si layers 52a to 52c processed into a desired shape are isotropically eroded with an HF solution or the like. Thereafter, the processed single crystal Si layers 52a to 52c are adsorbed to a material having excellent flexibility and adhesion, such as PDMS (Polydimethylsiloxane), and only the single crystal Si layers 52a to 52c are separated from the SOI substrate. . Subsequently, the PDMS adsorbing the single crystal Si layers 52 a to 52 c is brought into contact with the base 51 so that the single crystal Si layers 52 a to 52 c and the base 51 are in close contact with each other. Note that it is desirable to form a thin oxide film below the single crystal Si layers 52a to 52c by processing in an HCl / H 2 O 2 mixed solution or the like. At this time, the contacted single crystal Si layers 52a to 52c and the base 51 are joined by hydrogen bonding by OH groups present on the hydrophilic surface. Thereafter, the single crystal Si layers 52 a to 52 c are formed on the base 51 by peeling only the PDMS. When forming the original substrate 50 having only the single crystal Si layers 52a to 52c having a single crystal orientation, the processing is completed as described above, but the original having a plurality of single crystal Si layers 52a to 52h having different crystal orientations. In order to obtain the substrate 50, the above-described process may be repeated for the other regions R12 and R13 using SOI substrates having different crystal orientations. Thus, the original substrate 50 is completed. The original substrate 50 is used as an original for forming the substrate 11 shown in FIG. 1 and is used repeatedly.

ついで、図2−1(b)に示されるように、図1の半導体装置の形成対象となる、シリコン酸化物などの絶縁材料からなる基体11上に、アモルファス半導体層であるアモルファスSi層12を形成する。アモルファスSi層12は、たとえばCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、SiH4ガスを原料とし、圧力を0.2Torrとし、温度を400℃とする条件で形成される。 Next, as shown in FIG. 2B, an amorphous Si layer 12 that is an amorphous semiconductor layer is formed on a base 11 made of an insulating material such as silicon oxide, which is a target for forming the semiconductor device of FIG. Form. The amorphous Si layer 12 is formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method using SiH 4 gas as a raw material, a pressure of 0.2 Torr, and a temperature of 400 ° C.

その後、図2−1(c)と図2−2(a)に示されるように、原版基体50の単結晶Si層52a〜52hの上面と、基体11に形成されたアモルファスSi層12上の全面とに、結晶情報を仲介する媒体膜(以下、結晶情報仲介媒体膜という)であるCeO2膜61,62を形成する。CeO2膜61は少なくとも単結晶Si層52a〜52hの上面に形成されていればよいが、ここでは、原版基体50の単結晶Si層52a〜52hが形成されている側の全面にCeO2膜61を形成する。 Thereafter, as shown in FIGS. 2-1 (c) and 2-2 (a), the upper surfaces of the single crystal Si layers 52 a to 52 h of the original substrate 50 and the amorphous Si layer 12 formed on the substrate 11. CeO 2 films 61 and 62 which are medium films that mediate crystal information (hereinafter referred to as crystal information mediation medium films) are formed on the entire surface. The CeO 2 film 61 may be formed on at least the upper surfaces of the single crystal Si layers 52a to 52h, but here, the CeO 2 film is formed on the entire surface of the original substrate 50 on the side where the single crystal Si layers 52a to 52h are formed. 61 is formed.

結晶情報仲介媒体膜は、原版基体50上の単結晶Si層52a〜52hや基体11上のアモルファスSi層12の酸化を防止(自然酸化膜生成を抑制)するとともに、下地の単結晶Si層52a〜52hと格子整合して成長することができる材料によって構成される。単結晶半導体層としてSiを用いる場合には、Si(立方晶で格子定数は5.430Å)と格子定数の近いCeO2(2酸化セリウム、立方晶で格子定数は5.411Å。Siとの格子定数の差は0.35%)膜61,62が結晶情報仲介媒体膜として用いられている。 The crystal information mediating medium film prevents oxidation of the single crystal Si layers 52a to 52h on the original substrate 50 and the amorphous Si layer 12 on the substrate 11 (suppresses the formation of a natural oxide film) and also forms the underlying single crystal Si layer 52a. It is made of a material that can grow in lattice matching with ~ 52h. In the case where Si is used for the single crystal semiconductor layer, Ce (a cubic crystal having a lattice constant of 5.430 Å) and CeO 2 (cerium dioxide, cubic having a lattice constant of 5.411 Å) having a lattice constant close to that of Si (lattice constant of 5.411 Å). The constant difference is 0.35%). The films 61 and 62 are used as the crystal information mediating medium films.

CeO2膜61,62は、たとえばスパッタ法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、MOCVD(Metal-Organic CVD)法などの方法で10nmの厚さで形成することができる。CeO2膜61,62は、単結晶Si層52a〜52hと接触した場合には、たとえ低温でも、下地の単結晶Si層52a〜52hの結晶構造および結晶方位と整合した結晶構造および結晶方位を有するように成長する。そのため、図2−1(c)に示されるように、原版基体50上の全面にCeO2膜61を形成すると、単結晶Si層52a〜52c上には、上面は{100}面となり、長手方向を法線とする面は{110}面となるように単結晶CeO2膜61aが形成され、単結晶Si層52d,52e上には、上面は{111}面となり、長手方向を法線とする面は{101}となるように単結晶CeO2膜61bが形成され、単結晶Si層52f〜52h上には、上面は{110}面となり、長手方向を法線とする面は{110}となる単結晶CeO2膜61cが形成される。 The CeO 2 films 61 and 62 can be formed with a thickness of 10 nm by a method such as sputtering, MBE (Molecular Beam Epitaxy), or MOCVD (Metal-Organic CVD). When the CeO 2 films 61 and 62 are in contact with the single crystal Si layers 52a to 52h, the crystal structures and crystal orientations matched with the crystal structures and crystal orientations of the underlying single crystal Si layers 52a to 52h, even at low temperatures. Grow to have. Therefore, as shown in FIG. 2C, when the CeO 2 film 61 is formed on the entire surface of the original substrate 50, the upper surface becomes the {100} plane on the single crystal Si layers 52a to 52c, and The single-crystal CeO 2 film 61a is formed so that the plane whose direction is normal is the {110} plane, and the upper surface is the {111} plane on the single-crystal Si layers 52d and 52e, and the longitudinal direction is normal. The single crystal CeO 2 film 61b is formed to be {101}. The upper surface is the {110} plane on the single crystal Si layers 52f to 52h, and the plane whose normal is the longitudinal direction is { A single crystal CeO 2 film 61c to be 110} is formed.

また、図2−2(a)に示されるように、基体11に形成されたアモルファスSi層12の表面に形成されるCeO2膜62は、下地のアモルファスSi層12の構造を引き継いで、結晶化することなく非晶質(アモルファス)となる。 In addition, as shown in FIG. 2A, the CeO 2 film 62 formed on the surface of the amorphous Si layer 12 formed on the substrate 11 takes over the structure of the underlying amorphous Si layer 12 and is crystallized. It becomes amorphous (amorphous) without becoming.

なお、CeO2は、それ自体が安定した酸化物であり、たとえ酸素を含む雰囲気(たとえば大気)中にさらされても、変質することはない。すなわち、原版基体50の単結晶Si層52a〜52hの表面と、基体11のアモルファスSi層12の表面とを、酸化から防ぐ耐酸化性の被膜としても機能する。また、CeO2膜61,62の堆積に先立って、原版基体50上の単結晶Si層52a〜52hの表面、および基体11に形成されたアモルファスSi層12の表面を、HF溶液などで処理し、自然酸化膜を除去しておくことが望ましい。さらに、CeO2膜61,62の堆積前に、Ce膜を薄く堆積してもよい。Ce膜を堆積することで、自然酸化膜の生成を抑止することができる。また、ここでは、原版基体50と基体11の両方にCeO2膜61,62を形成しているが、いずれか一方にのみCeO2膜61,62を形成するようにしてもよい。 Note that CeO 2 itself is a stable oxide and does not change even when exposed to an oxygen-containing atmosphere (for example, air). That is, the surface of the single crystal Si layers 52a to 52h of the original substrate 50 and the surface of the amorphous Si layer 12 of the substrate 11 also function as an oxidation-resistant film that prevents oxidation. Prior to the deposition of the CeO 2 films 61 and 62, the surfaces of the single crystal Si layers 52a to 52h on the original substrate 50 and the surface of the amorphous Si layer 12 formed on the substrate 11 are treated with an HF solution or the like. It is desirable to remove the natural oxide film. Further, the Ce film may be thinly deposited before the CeO 2 films 61 and 62 are deposited. By depositing the Ce film, generation of a natural oxide film can be suppressed. Here, the CeO 2 films 61 and 62 are formed on both the original substrate 50 and the substrate 11, but the CeO 2 films 61 and 62 may be formed only on one of them.

ついで、図2−2(b)に示されるように、原版基体50上の単結晶Si層52a〜52hの表面と、基体11上のアモルファスSi層12の表面と、が相対するように配置し、図2−3(a)に示されるように、これらをCeO2膜61,62を介して物理的に両者を接触させる。 Next, as shown in FIG. 2B, the surfaces of the single crystal Si layers 52a to 52h on the original substrate 50 and the surface of the amorphous Si layer 12 on the substrate 11 are opposed to each other. As shown in FIG. 2A, these are physically brought into contact with each other through the CeO 2 films 61 and 62.

その後、図2−3(b)に示されるように、原版基体50と基体11との接触を保った状態で、原版基体50を、電流加熱やレーザ照射、マイクロ波加熱などの方法によって、アモルファスSi層12が結晶化しない温度で所定の時間加熱する。たとえば、600℃の温度で30分間加熱することができる。   Thereafter, as shown in FIG. 2B, the original substrate 50 is made amorphous by a method such as current heating, laser irradiation, or microwave heating while maintaining the contact between the original substrate 50 and the substrate 11. Heating is performed for a predetermined time at a temperature at which the Si layer 12 does not crystallize. For example, it can be heated at a temperature of 600 ° C. for 30 minutes.

このとき、図2−4(a)に示されるように、基体11のアモルファスSi層12上に形成されたアモルファスのCeO2膜62は、原版基体50の単結晶Si層52a〜52hの表面に形成された、これらと整合した結晶構造と結晶方位を有する単結晶CeO2膜61a〜61cとの接触部分において、この部分から伝播する熱エネルギによって、各々の単結晶CeO2膜61a〜61cの構造を参照しながら、これらと整合した結晶構造と結晶方位を有する単結晶CeO2膜62a〜62cに変化していく。 At this time, as shown in FIG. 2-4 (a), the amorphous CeO 2 film 62 formed on the amorphous Si layer 12 of the substrate 11 is formed on the surfaces of the single crystal Si layers 52a to 52h of the original substrate 50. It formed in the contact portion thereof with the matching crystal structure and the single crystal CeO 2 film 61a~61c having a crystal orientation, by heat energy propagating from the portion, of each of the single crystal CeO 2 film 61a~61c structure Referring to FIG. 5, the single crystal CeO 2 films 62a to 62c having crystal structures and crystal orientations consistent with these are changed.

さらに、単結晶CeO2膜62a〜62cの下部に存在するアモルファスSi層12も、その上部の単結晶CeO2膜62a〜62cの構造を参照しながら、これらと整合した結晶構造と結晶方位を有する単結晶Si層12a〜12hに変化していく。一方、単結晶CeO2膜61a〜61cに接触していないCeO2膜62は、結晶化することなく、アモルファスに留まり、その下部のアモルファスSi層12もアモルファスに留まることになる。 Further, the amorphous Si layer 12 present in the lower portion of the single crystal CeO 2 film 62a~62c also with reference to the structure of the single crystal CeO 2 film 62a~62c its top, having a crystalline orientation as these consistent crystal structure It changes to single crystal Si layers 12a-12h. On the other hand, the CeO 2 film 62 that is not in contact with the single crystal CeO 2 films 61a to 61c remains amorphous without being crystallized, and the amorphous Si layer 12 below it remains amorphous.

なお、原版基体50と基体11とを接触させて熱処理する工程は、窒素雰囲気中や減圧された希ガス中で行うことができるが、CeO2は耐酸化性を有するので、大気雰囲気中で行うことも可能である。 The heat treatment process by bringing the original substrate 50 and the substrate 11 into contact with each other can be performed in a nitrogen atmosphere or in a reduced rare gas, but CeO 2 has an oxidation resistance and is therefore performed in an air atmosphere. It is also possible.

ついで、図2−4(b)に示されるように、単結晶CeO2膜61a〜61c,62a〜62cを介して物理的接触状態にある原版基体50と基体11とを、結晶情報仲介媒体膜除去液に浸潤する。この場合には、結晶情報仲介媒体膜除去液として、たとえば硫酸と過酸化水素水の混合液や硝酸溶液を用いることができる。これによって、CeO2膜61,62(単結晶CeO2膜61a〜61c,62a〜62cを含む)は、結晶情報仲介媒体膜除去液に速やかに溶解し、単結晶CeO2膜61a〜61c,62a〜62cを介して整合した一連の結晶構造となった原版基体50の単結晶Si層52a〜52hと、基体11のアモルファスSi層12内に形成された単結晶Si層12a〜12hと、が分離される。その結果、基体11上に形成されたアモルファスSi層12とこの内部に形成された単結晶Si層12a〜12hが露出する。また、原版基体50も当初の状態に戻り、再利用可能となる。 Next, as shown in FIG. 2-4 (b), the original substrate 50 and the substrate 11 in physical contact with each other through the single crystal CeO 2 films 61a to 61c and 62a to 62c are connected to the crystal information mediating medium film. Infiltrate the removal solution. In this case, for example, a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide or a nitric acid solution can be used as the crystal information mediating medium film removing solution. As a result, the CeO 2 films 61 and 62 (including the single crystal CeO 2 films 61a to 61c and 62a to 62c) are quickly dissolved in the crystal information mediating medium film removing solution, and the single crystal CeO 2 films 61a to 61c and 62a are dissolved. Are separated from the single crystal Si layers 52a to 52h of the original substrate 50 and the single crystal Si layers 12a to 12h formed in the amorphous Si layer 12 of the substrate 11. Is done. As a result, the amorphous Si layer 12 formed on the substrate 11 and the single crystal Si layers 12a to 12h formed therein are exposed. Further, the original substrate 50 also returns to the original state and can be reused.

このように、CeO2は、硫酸と過酸化水素水の混合液や硝酸溶液を用いることで、Siと選択的に容易に除去可能であるという著しい特性がある。もし、原版基体50の単結晶Si層52a〜52hと基体11のアモルファスSi層12とを直接に接触させて、アモルファスSi層12の結晶化を図った場合、原版基体50の単結晶Si層52a〜52hと、それに接触した領域に形成される基体11の単結晶Si層12a〜12hは完全に一体の単結晶Siとなってしまい、これらを容易に分離すべき手立てがなくなってしまう。一方、本実施形態のように、半導体材料と選択的に容易に除去可能である結晶情報仲介媒体膜を介して、単結晶Si層12a〜12hからアモルファスSi層12へ結晶情報を伝播させることによって、原版基体50と基体11との間の簡便な分離が可能となる。 Thus, CeO 2 has a remarkable characteristic that it can be easily and selectively removed from Si by using a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide or a nitric acid solution. If the single crystal Si layers 52a to 52h of the original substrate 50 and the amorphous Si layer 12 of the substrate 11 are brought into direct contact with each other to crystallize the amorphous Si layer 12, the single crystal Si layer 52a of the original substrate 50 is obtained. The single-crystal Si layers 12a to 12h of the base 11 formed in the region in contact with the -52h are completely integrated single-crystal Si, and there is no way to easily separate them. On the other hand, by propagating crystal information from the single crystal Si layers 12a to 12h to the amorphous Si layer 12 through the crystal information mediating medium film that can be easily selectively removed from the semiconductor material as in this embodiment. In addition, it is possible to easily separate the original substrate 50 and the substrate 11.

原版基体50と分離された基体11は、図2−5(a)に示されるように、アモルファスSi層12中に単結晶Si層12a〜12hが埋め込まれたように形成されている状態である。この状態で、つぎの工程に進んでもよいが、ここで熱処理を行って、単結晶Si層12a〜12hの周囲のアモルファスSi層12を結晶化させて、単結晶Si層12a〜12hの領域をさらに広げるようにしてもよい。   The substrate 11 separated from the original substrate 50 is in a state where the single crystal Si layers 12a to 12h are embedded in the amorphous Si layer 12, as shown in FIG. 2-5 (a). . In this state, the process may proceed to the next step. However, heat treatment is performed here to crystallize the amorphous Si layer 12 around the single crystal Si layers 12a to 12h, so that regions of the single crystal Si layers 12a to 12h are formed. It may be further expanded.

その後、図2−5(b)に示されるように、アモルファスSi層12と、この内に形成された単結晶Si層12a〜12hと、が露出した基体11をフッ酸、硝酸および酢酸の混合液に浸漬する。アモルファスのSiは、単結晶のSiに比べ、フッ酸、硝酸および酢酸の混合液に、5倍以上の速さで溶解するので、浸漬時間を調節することで、単結晶Si層12a〜12hのみを残存させつつ、アモルファスSi層12を選択的に除去することができる。この結果、基体11上に、原版基体50上の単結晶Si層52a〜52hと鏡像関係にある単結晶Si層12a〜12hが、その結晶構造と結晶方位を保存した形で再現される。   After that, as shown in FIG. 2-5 (b), the substrate 11 where the amorphous Si layer 12 and the single crystal Si layers 12a to 12h formed therein are exposed is mixed with hydrofluoric acid, nitric acid and acetic acid. Immerse in the liquid. Amorphous Si dissolves in a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid and acetic acid at a speed of 5 times or more as compared with single crystal Si. Therefore, only the single crystal Si layers 12a to 12h can be adjusted by adjusting the immersion time. As a result, the amorphous Si layer 12 can be selectively removed. As a result, the single crystal Si layers 12a to 12h having a mirror image relationship with the single crystal Si layers 52a to 52h on the original substrate 50 are reproduced on the base 11 in a form in which the crystal structure and crystal orientation are preserved.

その後、基体11上の各単結晶Si層12a〜12h上に、電界効果型トランジスタなどの素子を形成する。たとえば、n型電界効果型トランジスタの場合には、Si(100)面上に形成し、p型電界効果型トランジスタの場合には、Si(110)面上に形成することによって、高速高機能な素子を得ることができる。以上によって、所望の機能を有する半導体装置を得ることができる。   Thereafter, an element such as a field effect transistor is formed on each single crystal Si layer 12 a to 12 h on the substrate 11. For example, in the case of an n-type field effect transistor, it is formed on the Si (100) surface, and in the case of a p-type field effect transistor, it is formed on the Si (110) surface, thereby achieving high speed and high function. An element can be obtained. As described above, a semiconductor device having a desired function can be obtained.

なお、上記した例では、原版基体50の基体51として、シリコン酸化物を用いる場合を例示したが、これに限られず、シリコン窒化物やその他の材料からなる基体51を用いることができる。また、原版基体50が複数の面方位の単結晶半導体層を有さず、単一の面方位の単結晶半導体層で構成される場合には、半導体基板をリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いてパターニングしたものをそのまま原版基体50として利用することもできる。   In the above example, the case where silicon oxide is used as the substrate 51 of the original substrate 50 is illustrated, but the present invention is not limited to this, and the substrate 51 made of silicon nitride or other materials can be used. Further, when the original substrate 50 does not have a plurality of plane-oriented single crystal semiconductor layers but is formed of a single plane-oriented single crystal semiconductor layer, the semiconductor substrate is formed by using a lithography technique and an etching technique. The patterned substrate can be used as the original substrate 50 as it is.

さらに、図2−4(b)の基体11と原版基体50の分離の際に、結晶情報仲介媒体膜除去液が容易にCeO2膜61,62に浸潤する構造を基体51に設けるようにしてもよい。図3は、原版基体の構造の他の例を模式的に示す斜視図である。この図では、基体51に厚さ方向に貫通する貫通孔55を設ける場合が示されている。このように貫通孔55を設けることで、図2−4(b)でCeO2膜61,62を除去する際に、結晶情報仲介媒体膜除去液が貫通孔55を介してもう一方の基体11の表面に接触し、CeO2膜61,62を容易に除去することができる。貫通孔55の径としては、基体51上に単結晶Si層52a〜52hを形成する際に支障が生じない大きさであればよく、たとえば100nm程度に設定することができる。 Further, when the substrate 11 and the original substrate 50 in FIG. 2-4 (b) are separated, the substrate 51 is provided with a structure in which the crystal information mediating medium film removing liquid easily infiltrates the CeO 2 films 61 and 62. Also good. FIG. 3 is a perspective view schematically showing another example of the structure of the original substrate. In this figure, the case where the through-hole 55 which penetrates to the base | substrate 51 in a thickness direction is provided is shown. By providing the through hole 55 in this way, when removing the CeO 2 films 61 and 62 in FIG. 2-4 (b), the crystal information mediating medium film removing solution passes through the other hole 11 through the through hole 55. The CeO 2 films 61 and 62 can be easily removed in contact with the surface of the film. The diameter of the through hole 55 may be a size that does not cause any trouble when the single crystal Si layers 52a to 52h are formed on the substrate 51, and can be set to about 100 nm, for example.

また、上記した例では、アモルファスSi層12は、基体11上に一面に堆積される場合を示したが、図2−3(a)の原版基体50との接触に先立って、所定の構造を持つように加工してもよい。たとえば、図2−4(b)でのアモルファスSi層12の除去を容易とするように、薬液の浸潤を促進するような溝構造を、単結晶Si層12a〜12hが形成されないアモルファスSi層12の領域に予め形成してもよい。   In the example described above, the amorphous Si layer 12 is shown to be deposited on the entire surface of the substrate 11. However, prior to contact with the original substrate 50 in FIG. You may process to have. For example, in order to facilitate the removal of the amorphous Si layer 12 in FIG. 2-4 (b), the groove structure that promotes the infiltration of the chemical solution is formed in the amorphous Si layer 12 in which the single crystal Si layers 12a to 12h are not formed. It may be formed in advance in this area.

さらに、図2−3(b)で原版基体50と基体11とを接触させる前に、結晶化させたい領域のアモルファスSi層12を残し、他の領域のアモルファスSi層12を予め除去するようにしてもよい。この場合には、図2−4(b)でのアモルファスSi層12を除去する工程は不要となる。   Further, before the original substrate 50 and the substrate 11 are brought into contact with each other in FIG. 2-3B, the amorphous Si layer 12 in the region to be crystallized is left and the amorphous Si layer 12 in the other region is removed in advance. May be. In this case, the step of removing the amorphous Si layer 12 in FIG.

さらにまた、結晶情報仲介媒体膜としては、Siと整合した結晶構造をとり(エピタキシャル成長し)、Siと選択的に除去可能である物質であることが望ましい。このような物質としては、上記した例であげたCeO2以外に、BaTiO3,SrTiO3,ZrO2,Y23,SrO,BaO,SrRuO3,Bi2Sr2CuO,SrBi2Ta29,MgO,GeとSiの混晶などを用いることができる。これらは、単結晶Si層上にエピタキシャル成長すると同時に硫酸やフッ酸などで容易に、Siと選択的に除去可能である。 Furthermore, it is desirable that the crystal information mediating medium film is a substance that has a crystal structure consistent with Si (epitaxial growth) and can be selectively removed from Si. Examples of such materials include BaTiO 3 , SrTiO 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , SrO, BaO, SrRuO 3 , Bi 2 Sr 2 CuO, and SrBi 2 Ta 2 O in addition to CeO 2 mentioned in the above example. 9 , MgO, a mixed crystal of Ge and Si can be used. These can be epitaxially grown on the single crystal Si layer and at the same time can be easily removed selectively from Si with sulfuric acid or hydrofluoric acid.

また、上記した説明では、単結晶Si層52a〜52hの結晶方位を結晶情報仲介媒体膜を介してアモルファスSi層12に転写する場合を例示したが、他の半導体材料を用いても同様に単結晶半導体層からアモルファス半導体層へと結晶情報を伝播させることができる。たとえば、単結晶半導体層としてGeまたはGaAsを用いる場合には、結晶情報仲介媒体膜として、MgOを利用することができる。また、MgOは、フッ酸、アンモニアなどでGeまたはGaAsと容易に選択的に除去可能である。さらに、このほかにも単結晶半導体層としてGaAsを用いる場合には、結晶情報仲介媒体膜としてGa23膜を用いることができ、単結晶半導体層としてGaNを用いる場合には、結晶情報仲介媒体膜としてZnO膜を用いることができる。 Further, in the above description, the case where the crystal orientation of the single crystal Si layers 52a to 52h is transferred to the amorphous Si layer 12 through the crystal information mediating medium film is exemplified. Crystal information can be propagated from the crystalline semiconductor layer to the amorphous semiconductor layer. For example, when Ge or GaAs is used as the single crystal semiconductor layer, MgO can be used as the crystal information mediating medium film. MgO can be easily and selectively removed from Ge or GaAs by hydrofluoric acid, ammonia, or the like. In addition, when GaAs is used as the single crystal semiconductor layer, a Ga 2 O 3 film can be used as the crystal information mediating medium film, and when GaN is used as the single crystal semiconductor layer, crystal information mediation is used. A ZnO film can be used as the medium film.

以上のように第1の実施形態では、離隔して配置した複数の単結晶半導体層を有する原版基体50上と、アモルファス半導体層を形成した基体11上との少なくともいずれか一方に、結晶情報仲介媒体膜を形成し、両者を結晶情報仲介媒体膜を介して接触させて、熱処理を行い、原版基体50の単結晶半導体層の結晶情報を結晶情報仲介媒体膜を介して基体11のアモルファス半導体層に転写させ、結晶情報仲介媒体膜を除去した。これによって、フォトリソグラフィのような高価な工程を利用せず、母体となる原版基体50に離隔して配置された単結晶半導体層を、自己整合的にアモルファス半導体層を堆積した基体11上に安価に移植再生される。その結果、原版基体50の単結晶半導体層と鏡像関係にある単結晶半導体層が、原版基体と合同の任意の形状の基体11に、その結晶構造と結晶方位の制御された形で再現することができる。   As described above, in the first embodiment, crystal information mediation is performed on at least one of the master substrate 50 having a plurality of single crystal semiconductor layers arranged separately from each other and the substrate 11 on which the amorphous semiconductor layer is formed. A medium film is formed, the two are brought into contact with each other through a crystal information mediating medium film, heat treatment is performed, and crystal information of the single crystal semiconductor layer of the original substrate 50 is transferred to the amorphous semiconductor layer of the substrate 11 through the crystal information mediating medium film. The crystal information mediating medium film was removed. Thus, an inexpensive process such as photolithography is not used, and a single crystal semiconductor layer arranged separately from the original master substrate 50 is inexpensively formed on the substrate 11 on which an amorphous semiconductor layer is deposited in a self-aligning manner. Replanted in the transplant. As a result, the single crystal semiconductor layer having a mirror image relationship with the single crystal semiconductor layer of the original substrate 50 is reproduced on the substrate 11 having an arbitrary shape congruent with the original substrate with its crystal structure and crystal orientation controlled. Can do.

また、結晶情報仲介媒体膜と単結晶半導体層とを選択的に分離可能であるので、原版基体50を再利用することができるという効果も有する。そして、上記の工程を繰り返すことによって、非晶質の半導体層を堆積した基体11を供給するだけで、高価なSOI半導体基板を必要とせず、SOI基板と同等な、結晶方位の制御された単結晶半導体層を具備した基体11を大量に安価に製造することができる。   Further, since the crystal information mediating medium film and the single crystal semiconductor layer can be selectively separated, there is also an effect that the original substrate 50 can be reused. Then, by repeating the above steps, it is only necessary to supply the base 11 on which an amorphous semiconductor layer is deposited, and an expensive SOI semiconductor substrate is not required, and a single crystal with a controlled crystal orientation is equivalent to that of an SOI substrate. A large amount of the base body 11 having a crystalline semiconductor layer can be manufactured at a low cost.

さらに、結晶情報仲介媒体としてCeO2などの酸化物を用いることで、原版基体50の単結晶半導体層や基体11上のアモルファス半導体層に対して耐酸化膜として機能するので、原版基体50と基体11との接触を大気中で行うことができる。その結果、クリーンルームなどの設備が不要となり、半導体装置の製造コストをさらに下げることが可能になる。 Further, by using an oxide such as CeO 2 as the crystal information mediating medium, it functions as an oxidation resistant film for the single crystal semiconductor layer of the original substrate 50 and the amorphous semiconductor layer on the substrate 11. 11 can be performed in the atmosphere. As a result, facilities such as a clean room are not required, and the manufacturing cost of the semiconductor device can be further reduced.

また、原版基体50の作製に当たり、異なる結晶方位の単結晶半導体層を設けておくことで、複合方位単結晶領域を備えた基体11を形成することも可能である。これによって、高価な大口径のSOI半導体基板を不要とし、高速高機能な半導体装置を、素子特性に最も適合した複数の結晶面(たとえばn型電界効果型トランジスタの場合にはSi(100)面、p型電界効果型トランジスタの場合にはSi(110)面 )上に、廉価に製造することができるという効果を有する。   Further, when the original substrate 50 is manufactured, it is also possible to form the substrate 11 having a compound orientation single crystal region by providing single crystal semiconductor layers having different crystal orientations. This eliminates the need for an expensive large-diameter SOI semiconductor substrate, and allows a high-speed and high-performance semiconductor device to have a plurality of crystal planes (for example, Si (100) plane in the case of an n-type field effect transistor) most suitable for element characteristics In the case of a p-type field effect transistor, it has the effect that it can be manufactured at low cost on Si (110).

(第2の実施形態)
第1の実施形態では、原版基体に形成された単結晶半導体層と鏡像関係にある単結晶半導体層を別の基体上に形成する場合について説明したが、第2の実施形態では、原版基体の単結晶半導体層の結晶性を別の基体上の半導体層上に移植することができる半導体装置の製造方法について説明する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, a case has been described in which a single crystal semiconductor layer having a mirror image relationship with the single crystal semiconductor layer formed on the original substrate is formed on another substrate, but in the second embodiment, the original substrate A method for manufacturing a semiconductor device in which the crystallinity of a single crystal semiconductor layer can be transplanted onto a semiconductor layer on another substrate will be described.

図4−1〜図4−2は、第2の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す図である。まず、図4−1(a)に示されるように、結晶成長の参照(種:Seed)となる単結晶Si層53を有する原版基体50Aを形成する。この原版基体50Aは第1の実施形態と同様の方法で形成することができる。また、ここでは、たとえば基体51上にX方向に延在する形状を有し、上面が{110}であり、X方向を法線とする面が{110}である単結晶Si層53が、Y方向に所定の間隔をおいて形成されているものとする。   FIG. 4A to FIG. 4B are schematic diagrams illustrating an example of the procedure of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment. First, as shown in FIG. 4A, an original substrate 50A having a single crystal Si layer 53 that serves as a reference for crystal growth (seed) is formed. The original substrate 50A can be formed by the same method as in the first embodiment. Further, here, for example, the single crystal Si layer 53 having a shape extending in the X direction on the base 51, the upper surface being {110}, and the surface having the X direction as a normal line is {110}, It is assumed that they are formed at a predetermined interval in the Y direction.

ついで、図4−1(b)に示されるように、原版基体50Aとは別の基体11上にアモルファスSi層を形成し、さらにリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、所定の形状にパターニングする。ここでは、原版基体50Aと重ね合わせたときに、単結晶Si層53の一部と接触するように、Y方向に延在する直方体状のアモルファスSi層12がX方向とY方向に所定の間隔で配置される。   Next, as shown in FIG. 4B, an amorphous Si layer is formed on a substrate 11 different from the original substrate 50A, and further patterned into a predetermined shape using a lithography technique and an etching technique. . Here, the rectangular parallelepiped amorphous Si layer 12 extending in the Y direction has a predetermined interval in the X direction and the Y direction so as to come into contact with a part of the single crystal Si layer 53 when being overlapped with the original substrate 50A. It is arranged with.

その後、図4−1(c)に示されるように、原版基体50Aと基体11の上面に結晶情報仲介媒体膜であるCeO2膜61,62を形成し、原版基体50Aの単結晶Si層53と、基体11のアモルファスSi層12とが向かい合うようにして、CeO2膜61,62を介して両者を接触させる。このとき、第1の実施形態で説明したように、単結晶Si層53上に形成されるCeO2膜61は下地の結晶構造を引き継いで単結晶CeO2膜となり、アモルファスSi層12上に形成されるCeO2膜62は、アモルファスCeO2膜となる。また、基体11のアモルファスSi層12は、原版基体50Aの単結晶Si層53とCeO2膜61,62を介して一部のみが接触する状態となる。なお、ここでは、原版基体50Aと基体11の両方にCeO2膜61,62形成しているが、いずれか一方にのみCeO2膜を形成するようにしてもよい。 Thereafter, as shown in FIG. 4C, CeO 2 films 61 and 62 as crystal information mediating medium films are formed on the upper surfaces of the original substrate 50A and the substrate 11, and the single crystal Si layer 53 of the original substrate 50A is formed. Are brought into contact with each other through CeO 2 films 61 and 62 so that the amorphous Si layer 12 of the substrate 11 faces each other. At this time, as described in the first embodiment, the CeO 2 film 61 formed on the single crystal Si layer 53 takes over the underlying crystal structure and becomes a single crystal CeO 2 film, which is formed on the amorphous Si layer 12. The CeO 2 film 62 to be formed is an amorphous CeO 2 film. Further, the amorphous Si layer 12 of the substrate 11 is in a state where only a part is in contact with the single crystal Si layer 53 of the original substrate 50 </ b > A via the CeO 2 films 61 and 62. Here, CeO 2 films 61 and 62 are formed on both the original substrate 50A and the substrate 11, but a CeO 2 film may be formed only on one of them.

ついで、図4−2(a)に示されるように、両者を接触させた状態で熱処理を行う。これによって、単結晶Si層53と接触したアモルファスSi層12の部分では、単結晶Si層53の結晶情報がCeO2膜61,62を介してアモルファスSi層12へと転写され、単結晶Si層12iが形成される。そして、さらに熱処理を行うことによって、その部分を核としてアモルファスSi層12全体に結晶化が進行する。 Next, as shown in FIG. 4-2 (a), heat treatment is performed in a state where both are brought into contact with each other. Thereby, in the portion of the amorphous Si layer 12 in contact with the single crystal Si layer 53, the crystal information of the single crystal Si layer 53 is transferred to the amorphous Si layer 12 through the CeO 2 films 61 and 62, and the single crystal Si layer 12i is formed. Then, by further heat treatment, crystallization proceeds throughout the amorphous Si layer 12 with the portion as a nucleus.

その結果、図4−2(b)に示されるように、基体11上の各アモルファスSi層12は、上面が{110}であり、X方向を法線とする面が{110}である単結晶Si層12iとなる。その後、図4−2(c)に示されるように、第1の実施形態で説明したように、CeO2膜61,62を除去することによって原版基体50Aと基体11とを分離する。これによって、原版基体50Aの単結晶Si層53とは異なる形状の単結晶Si層12iが基体11に形成された半導体装置を得ることができる。 As a result, as shown in FIG. 4B, each amorphous Si layer 12 on the substrate 11 has a top surface of {110} and a surface whose normal to the X direction is {110}. A crystalline Si layer 12i is formed. Thereafter, as illustrated in FIG. 4C, as described in the first embodiment, the original substrate 50A and the substrate 11 are separated by removing the CeO 2 films 61 and 62. As a result, a semiconductor device in which the single crystal Si layer 12i having a shape different from that of the single crystal Si layer 53 of the original substrate 50A is formed on the base 11 can be obtained.

また、このような方法は太陽電池の製造に適用することができる。たとえば、原版基体の一箇所に太陽電池として機能する単結晶Si層などの単結晶半導体層を配置し、電極などを配置した基体上の全面に単結晶半導体層と同じ材料によって構成されるアモルファス半導体層を形成し、結晶情報仲介媒体膜を介して単結晶半導体層とアモルファス半導体層とを接触させ、熱処理を行う。この熱処理の際に、最初に結晶情報仲介媒体膜を介して単結晶半導体層と接触した領域が、結晶情報仲介媒体膜を種として結晶化し、さらに周囲のアモルファス半導体層もこの結晶化した部分を種として結晶化する。このようにして、基体上に形成されたアモルファス半導体層全体が単結晶半導体層となる。そして、基体上の単結晶半導体層にたとえば拡散層や電極などを形成することによって、太陽電池を製造することができる。   Moreover, such a method can be applied to the manufacture of solar cells. For example, an amorphous semiconductor composed of a single crystal semiconductor layer such as a single crystal Si layer that functions as a solar cell in one place on the original substrate and the same material as the single crystal semiconductor layer on the entire surface of the substrate on which electrodes are arranged A layer is formed, the single crystal semiconductor layer and the amorphous semiconductor layer are brought into contact with each other through the crystal information mediating medium film, and heat treatment is performed. During this heat treatment, the region that first contacts the single crystal semiconductor layer through the crystal information mediating medium film is crystallized using the crystal information mediating medium film as a seed, and the surrounding amorphous semiconductor layer is also crystallized by this crystallized portion. Crystallize as seed. In this way, the entire amorphous semiconductor layer formed over the base body becomes a single crystal semiconductor layer. And a solar cell can be manufactured by forming a diffusion layer, an electrode, etc. in the single crystal semiconductor layer on a base | substrate, for example.

第2の実施形態では、基体11に形成されたアモルファス半導体層に、結晶情報仲介媒体膜を介して、原版基体50Aの単結晶半導体層の一部が接触するように貼り合わせて熱処理を行い、接触した部分のアモルファス半導体層をまず結晶化させ、そこからアモルファス半導体層全体が単結晶化するようにした。これによって、基体11上の単結晶半導体層を形成する際に、同じ大きさの単結晶半導体層を必要としないので、原版基体50Aの加工工程を簡略化することができるという効果を有する。   In the second embodiment, the amorphous semiconductor layer formed on the substrate 11 is bonded through a crystal information mediating medium film so that a part of the single crystal semiconductor layer of the original substrate 50A is in contact with the heat treatment, The amorphous semiconductor layer in the contact portion was first crystallized, and then the entire amorphous semiconductor layer was crystallized from there. Accordingly, when the single crystal semiconductor layer on the substrate 11 is formed, the single crystal semiconductor layer having the same size is not required, so that the processing step of the original substrate 50A can be simplified.

(第3の実施形態)
第3の実施形態では、第1と第2の実施形態で説明した方法を用いて大量に原版基体の単結晶半導体層の結晶情報が転写された単結晶半導体層を有する半導体装置の製造方法について説明する。
(Third embodiment)
In the third embodiment, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device having a single crystal semiconductor layer in which a large amount of crystal information of the single crystal semiconductor layer of the original substrate is transferred using the method described in the first and second embodiments. explain.

図5は、第3の実施形態による半導体装置の製造システムの構成を模式的に示す図である。この製造システム100は、原版基体50を搬送する原版基体搬送ライン110と、単結晶半導体層の形成対象である基体11を搬送する基体搬送ライン120と、を備える。原版基体搬送ライン110は、原版基体50を搬送する支持体111がループを構成し、3つの回転体112〜114によって所定の方向に原版基体50を移動させる構成となっている。一方の基体搬送ライン120は、基体11が搬入される領域から、単結晶半導体層が形成された基体11が搬出される領域までの間が、基体11を搬送する支持体121によって結ばれる構成となっている。なお、支持体121は図示しない駆動機構によって所定の方向に移動される。   FIG. 5 is a diagram schematically showing a configuration of a semiconductor device manufacturing system according to the third embodiment. The manufacturing system 100 includes an original substrate conveyance line 110 that conveys an original substrate 50 and a substrate conveyance line 120 that conveys a substrate 11 on which a single crystal semiconductor layer is to be formed. In the original substrate transport line 110, a support 111 that conveys the original substrate 50 forms a loop, and the original substrate 50 is moved in a predetermined direction by three rotating bodies 112 to 114. One substrate transport line 120 is connected by a support 121 that transports the substrate 11 from a region where the substrate 11 is loaded to a region where the substrate 11 on which the single crystal semiconductor layer is formed is unloaded. It has become. The support 121 is moved in a predetermined direction by a drive mechanism (not shown).

原版基体搬送ライン110の支持体111には、複数の原版基体50が所定の間隔で支持され、所定の方向に移動される。そして、CeO2膜塗布部131でCeO2膜61が原版基板50の上面に塗布される。一方、基体搬送ライン120の支持体121に支持された基体11は、まずアモルファスSi層形成部132に搬送され、基体11上面にアモルファスSi層12が形成される。その後、CeO2膜塗布部133に搬送され、アモルファスSi層12上にCeO2膜62が塗布される。 A plurality of original substrate 50 is supported on the support 111 of the original substrate transport line 110 at a predetermined interval and moved in a predetermined direction. Then, the CeO 2 film application unit 131 applies the CeO 2 film 61 to the upper surface of the original substrate 50. On the other hand, the base 11 supported on the support 121 of the base transport line 120 is first transported to the amorphous Si layer forming unit 132, and the amorphous Si layer 12 is formed on the top surface of the base 11. Thereafter, the CeO 2 film is applied to the CeO 2 film application unit 133, and the CeO 2 film 62 is applied on the amorphous Si layer 12.

ついで、基体搬送ライン120の基体11のCeO2膜62が塗布された面と、原版基体搬送ライン110の原版基体50のCeO2膜61が塗布された面とが対向し、両者が接触するように、2つのラインの支持体111,121が合流する。その後、原版基体50と基体11とが接触した状態で加熱部134に搬送され、第1の実施形態で説明したように、原版基体50の単結晶Si層上に形成された単結晶CeO2膜の結晶情報が基体11上のCeO2膜62へと転写され、その結晶情報がさらに基体11上のアモルファスSi層12へと転写され、アモルファスSi層12内に単結晶Si層12jが形成される。 Next, the surface of the substrate transport line 120 on which the CeO 2 film 62 is applied and the surface of the original substrate transport line 110 on which the CeO 2 film 61 is applied face each other so that they are in contact with each other. In addition, the supports 111 and 121 of the two lines merge. Thereafter, the original substrate 50 and the substrate 11 are conveyed to the heating unit 134 in contact with each other, and the single crystal CeO 2 film formed on the single crystal Si layer of the original substrate 50 as described in the first embodiment. The crystal information is transferred to the CeO 2 film 62 on the substrate 11, the crystal information is further transferred to the amorphous Si layer 12 on the substrate 11, and a single crystal Si layer 12 j is formed in the amorphous Si layer 12. .

ついで、接触した状態の原版基体50と基体11は、CeO2膜除去部135へと搬送され、基体11と原版基体50とが硫酸と過酸化水素水の混合液に浸漬され、CeO2膜61,62が溶解除去される。なお、このCeO2膜除去部135でCeO2が溶解した硫酸と過酸化水素水の混合液はCeO2再生部136へと送られる。CeO2再生部136では、CeO2が溶解した硫酸と過酸化水素水の混合液に蓚酸などを付加して蓚酸セリウムとし、これを濾別し、焼成することで、再びCeO2とし、CeO2膜塗布部131,133で再利用するようにしている。 Then, the original substrate 50 and the base 11 of the contact state is conveyed to the CeO 2 film removing unit 135, and the base 11 and the original substrate 50 is immersed in a mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide, CeO 2 film 61 62 are dissolved and removed. The mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution in which CeO 2 is dissolved in the CeO 2 film removing unit 135 is sent to the CeO 2 regeneration unit 136. In CeO 2 reproduction unit 136, and cerium oxalate by adding like oxalic acid in a mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide which CeO 2 is dissolved, which was filtered off and fired, and CeO 2 again, CeO 2 The film application units 131 and 133 are reused.

CeO2膜61,62が除去された基体11と原版基体50は、もう接合されておらず容易に分離可能であるので、CeO2膜除去部135を通過した後、原版基体搬送ライン110の支持体111は、基体搬送ライン120の支持体121から分離する経路を進み、再びCeO2膜塗布部131へと原版基体50を搬送する。一方の基体搬送ライン120では、アモルファスSi層除去部137へと基体11を搬送する。このアモルファスSi層除去部137では、フッ酸、硝酸および酢酸の混合液に基体11を浸潤させ、残存したアモルファスSi層12を選択的に除去し、基体11上に単結晶Si層12jを残存させる。そして、単結晶Si層12jが残存した基体11は、図示しない基体搬出部で支持体121から搬出され、つぎの工程へと移され、基体11の各単結晶Si層12j上に素子を形成して、半導体装置が得られることになる。 Since the substrate 11 and the original substrate 50 from which the CeO 2 films 61 and 62 have been removed are no longer bonded and can be easily separated, after passing through the CeO 2 film removing section 135, the support of the original substrate transport line 110 is supported. The body 111 travels along a path separated from the support 121 of the substrate transport line 120 and transports the original substrate 50 to the CeO 2 film coating unit 131 again. On one substrate transport line 120, the substrate 11 is transported to the amorphous Si layer removal unit 137. In this amorphous Si layer removing section 137, the base 11 is infiltrated into a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid and acetic acid, the remaining amorphous Si layer 12 is selectively removed, and the single crystal Si layer 12j is left on the base 11. . Then, the substrate 11 in which the single crystal Si layer 12j remains is unloaded from the support 121 at a substrate unloading portion (not shown) and transferred to the next process to form an element on each single crystal Si layer 12j of the substrate 11. Thus, a semiconductor device is obtained.

なお、上記した説明では、製造システム100は、単結晶Si層を有する基体11を製造する場合について説明しているが、他の半導体材料からなる単結晶半導体層を有する基体11を製造する場合も、製造システム100は同様の構成とすることができる。   In the above description, the manufacturing system 100 describes the case of manufacturing the base body 11 having a single crystal Si layer. However, the manufacturing system 100 may manufacture the base body 11 having a single crystal semiconductor layer made of another semiconductor material. The manufacturing system 100 can have the same configuration.

第3の実施形態では、任意の形状の基体11に単結晶半導体層を、その結晶構造と結晶方位が制御された形で簡便に形成できるので、単結晶半導体層を備えた小面積の単位基体を多数並列させて、たとえば凸版印刷技術のように製造するようにした。これによって、高価なSOI半導体基板を使用せずに、結晶方位が制御された単結晶半導体層を離隔して配置した基体11を連続して大量に形成することができるという効果を有する。   In the third embodiment, since the single crystal semiconductor layer can be easily formed on the base 11 having an arbitrary shape in a form in which the crystal structure and crystal orientation are controlled, the unit base having a small area provided with the single crystal semiconductor layer. A number of them are arranged in parallel, for example, as in letterpress printing technology. Accordingly, there is an effect that a large number of bases 11 in which single crystal semiconductor layers whose crystal orientations are controlled are separated can be continuously formed without using an expensive SOI semiconductor substrate.

(第4の実施形態)
第1の実施形態では、基体上に複数の離隔した単結晶半導体層を有する半導体装置を形成する場合を示したが、第4の実施形態では、第1の実施形態での半導体装置の製造方法を応用して複数の単結晶半導体層が積層した構造の半導体装置を形成する場合について説明する。
(Fourth embodiment)
In the first embodiment, a case where a semiconductor device having a plurality of separated single crystal semiconductor layers is formed on a substrate has been shown. In the fourth embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device in the first embodiment is used. A case where a semiconductor device having a structure in which a plurality of single crystal semiconductor layers are stacked is formed by applying the above will be described.

図6は、第4の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。まず、図6(a)に示されるように、第1の実施形態で説明した方法によって、絶縁性の基体11上にアモルファスSi層を形成し、CeO2膜を介して原版基体に形成された単結晶Si層と鏡像関係にある単結晶Si層を形成する。そして、単結晶Si層上に電界効果型トランジスタなどの素子を形成し、第1半導体層13を形成する。 FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing an example of the procedure of the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment. First, as shown in FIG. 6A, an amorphous Si layer was formed on an insulating substrate 11 by the method described in the first embodiment, and was formed on an original substrate via a CeO 2 film. A single crystal Si layer having a mirror image relationship with the single crystal Si layer is formed. Then, an element such as a field effect transistor is formed on the single crystal Si layer, and the first semiconductor layer 13 is formed.

ついで、図6(b)に示されるように、第1半導体層13を形成した基体11上にシリコン酸化膜などの層間絶縁膜14を形成し、上面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法などの方法によって平坦化する。   Next, as shown in FIG. 6B, an interlayer insulating film 14 such as a silicon oxide film is formed on the substrate 11 on which the first semiconductor layer 13 is formed, and a method such as a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method is applied to the upper surface. To flatten.

その後、図6(c)に示されるように、第1の実施形態で説明したのと同様の方法によって、層間絶縁膜14上にアモルファスGaN層を形成し、GaNに対する結晶情報仲介媒体膜となるZnO膜を介して原版基体に形成された単結晶GaN層と鏡像関係にある単結晶GaN層を形成する。そして、単結晶GaN層上に電界効果型トランジスタなどの素子を形成し、第2半導体層15を形成する。ついで、図6(d)に示されるように、第2半導体層15を形成した基体11上にシリコン酸化膜などの層間絶縁膜16を形成し、上面をCMP法などの方法によって平坦化する。   Thereafter, as shown in FIG. 6C, an amorphous GaN layer is formed on the interlayer insulating film 14 by a method similar to that described in the first embodiment, and becomes a crystal information mediating medium film for GaN. A single crystal GaN layer having a mirror image relationship with the single crystal GaN layer formed on the original substrate is formed through the ZnO film. Then, an element such as a field effect transistor is formed on the single crystal GaN layer, and the second semiconductor layer 15 is formed. Next, as shown in FIG. 6D, an interlayer insulating film 16 such as a silicon oxide film is formed on the substrate 11 on which the second semiconductor layer 15 is formed, and the upper surface is planarized by a method such as CMP.

その後、図6(e)に示されるように、第1の実施形態で説明したのと同様の方法によって、層間絶縁膜16上にアモルファスGaAs層を形成し、GaAsに対する結晶情報仲介媒体膜となるMgO膜を介して原版基体に形成された単結晶GaAs層と鏡像関係にある単結晶GaAs層を形成する。そして、単結晶GaAs層上に電界効果型トランジスタなどの素子を形成し、第3半導体層17を形成する。そして、図6(f)に示されるように、第3半導体層17を形成した基体11上にシリコン酸化膜などの層間絶縁膜18を形成し、上面をCMP法などの方法によって平坦化する。   After that, as shown in FIG. 6E, an amorphous GaAs layer is formed on the interlayer insulating film 16 by the same method as described in the first embodiment, and becomes a crystal information mediating medium film for GaAs. A single crystal GaAs layer having a mirror image relation with the single crystal GaAs layer formed on the original substrate is formed through the MgO film. Then, an element such as a field effect transistor is formed on the single crystal GaAs layer, and the third semiconductor layer 17 is formed. Then, as shown in FIG. 6F, an interlayer insulating film 18 such as a silicon oxide film is formed on the base 11 on which the third semiconductor layer 17 is formed, and the upper surface is planarized by a method such as a CMP method.

以上によって、複数の単結晶半導体層が積層した構造の半導体装置が得られる。なお、ここでは3層の半導体層13,15,17を積層させる場合を例に示したが、積層数はこれに限定されるものではない。   Through the above, a semiconductor device having a structure in which a plurality of single crystal semiconductor layers is stacked is obtained. Here, the case where the three semiconductor layers 13, 15, and 17 are stacked is shown as an example, but the number of stacked layers is not limited to this.

第1の実施形態では、1種類の単結晶半導体層に素子を形成する場合を示したが、第4の実施形態では、単結晶半導体層の材料が異なる素子を含む半導体装置も、層間絶縁膜を介して積層させることで製造することができるという効果を有する。これによって、記憶機能 (メモリ)、演算機能(ロジック)、検知感覚機能(センサ)、表示機能(ディスプレイ)および通信機能などの大きく異なる機能を持つ電子回路を、一体化して有する複合電子機器を製造することができる。   In the first embodiment, the case where an element is formed in one kind of single crystal semiconductor layer is shown. In the fourth embodiment, a semiconductor device including an element having a different material for a single crystal semiconductor layer is also used as an interlayer insulating film. It has the effect that it can manufacture by laminating | stacking via. This makes it possible to manufacture composite electronic devices that have integrated electronic circuits with significantly different functions such as memory function (memory), calculation function (logic), sensing function (sensor), display function (display), and communication function. can do.

(第5の実施形態)
第4の実施形態では、異なる材料からなる複数の単結晶半導体層を層間絶縁膜を介して積層させて半導体装置を製造する場合を説明したが、第5の実施形態では、同一の基体の主面内に異なる材料からなる複数の単結晶半導体層を形成する場合について説明する。
(Fifth embodiment)
In the fourth embodiment, a case has been described in which a semiconductor device is manufactured by laminating a plurality of single crystal semiconductor layers made of different materials with an interlayer insulating film interposed therebetween. However, in the fifth embodiment, the main substrate of the same substrate is described. The case where a plurality of single crystal semiconductor layers made of different materials are formed in the plane will be described.

図7は、第5の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図である。まず、図7(a)に示されるように、第1の実施形態で説明した方法によって、絶縁性の基体11上にアモルファスSi層を形成し、CeO2膜を介して原版基体に形成された単結晶Si層と鏡像関係にある単結晶Si層21を形成する。そして、CeO2膜を除去し、さらにアモルファスSi層を選択的に除去する。これによって、たとえば、基体11の領域R21に単結晶Si層21が形成される。なお、図示していないが、原版基体には、領域R21に対応する領域にのみ単結晶Si層が形成され、その他の領域には単結晶Si層は形成されていない。 FIG. 7 is a perspective view schematically showing an example of the procedure of the semiconductor device manufacturing method according to the fifth embodiment. First, as shown in FIG. 7A, an amorphous Si layer was formed on an insulating substrate 11 by the method described in the first embodiment, and was formed on an original substrate via a CeO 2 film. A single crystal Si layer 21 having a mirror image relationship with the single crystal Si layer is formed. Then, the CeO 2 film is removed, and the amorphous Si layer is selectively removed. Thereby, for example, the single crystal Si layer 21 is formed in the region R21 of the base 11. Although not shown, the original substrate is formed with a single crystal Si layer only in a region corresponding to the region R21, and no single crystal Si layer is formed in other regions.

ついで、図7(b)に示されるように、第1の実施形態で説明したのと同様の方法によって、基体11の領域R22上に単結晶GaN層22を形成する。具体的には、まず、単結晶Si層21が形成された基体11上にアモルファスGaN層を形成する。ついで、複数の単結晶GaN層を有する原版基体上とアモルファスGaN層を形成した基体11上に、GaNに対する結晶情報仲介媒体膜となるZnO膜を形成し、両者をZnO膜を介して接触させる。熱処理を行って、原版基体の単結晶GaN層の結晶情報をZnO膜を介してアモルファスGaN層に転写させることで、アモルファスGaN層中に単結晶GaN層22が形成される。そして、ZnO膜を除去し、さらにアモルファスGaN層を選択的に除去する。なお、図示していないが、原版基体には、領域R22に対応する領域にのみ単結晶GaN層が形成され、その他の領域には単結晶GaN層は形成されていない。   Next, as shown in FIG. 7B, a single crystal GaN layer 22 is formed on the region R22 of the base 11 by the same method as described in the first embodiment. Specifically, first, an amorphous GaN layer is formed on the substrate 11 on which the single crystal Si layer 21 is formed. Next, a ZnO film serving as a crystal information mediating medium film for GaN is formed on an original substrate having a plurality of single crystal GaN layers and a substrate 11 on which an amorphous GaN layer is formed, and both are brought into contact with each other through the ZnO film. The single crystal GaN layer 22 is formed in the amorphous GaN layer by performing heat treatment to transfer the crystal information of the single crystal GaN layer of the original substrate to the amorphous GaN layer through the ZnO film. Then, the ZnO film is removed, and the amorphous GaN layer is selectively removed. Although not shown, the original substrate is formed with a single crystal GaN layer only in a region corresponding to the region R22, and no single crystal GaN layer is formed in other regions.

その後、図7(c)に示されるように、第1の実施形態で説明したのと同様の方法によって、基体11の領域R23上に単結晶GaAs層23を形成する。具体的には、まず、単結晶Si層21と単結晶GaN層22が形成された基体11上にアモルファスGaAs層を形成する。ついで、複数の単結晶GaAs層を有する原版基体上とアモルファスGaAs層を形成した基体11上に、GaAsに対する結晶情報仲介媒体膜となるMgO膜を形成し、両者をMgO膜を介して接触させる。熱処理を行って、原版基体の単結晶GaAs層の結晶情報をMgO膜を介してアモルファスGaAs層に転写させることで、アモルファスGaAs層中に単結晶GaAs層23が形成される。そして、MgO膜を除去し、さらにアモルファスGaAs層を選択的に除去する。なお、図示していないが、原版基体には、領域R23に対応する領域にのみ単結晶GaAs層が形成され、その他の領域には単結晶GaAs層は形成されていない。その後は、各単結晶半導体層上に電界効果型トランジスタなどの素子形成が行われる。   Thereafter, as shown in FIG. 7C, a single crystal GaAs layer 23 is formed on the region R23 of the substrate 11 by the same method as described in the first embodiment. Specifically, first, an amorphous GaAs layer is formed on the substrate 11 on which the single crystal Si layer 21 and the single crystal GaN layer 22 are formed. Next, an MgO film serving as a crystal information mediating medium film for GaAs is formed on an original substrate having a plurality of single crystal GaAs layers and a substrate 11 on which an amorphous GaAs layer is formed, and both are brought into contact with each other through the MgO film. The single crystal GaAs layer 23 is formed in the amorphous GaAs layer by performing heat treatment to transfer the crystal information of the single crystal GaAs layer of the original substrate to the amorphous GaAs layer through the MgO film. Then, the MgO film is removed, and the amorphous GaAs layer is selectively removed. Although not shown, the single-crystal GaAs layer is formed only in the region corresponding to the region R23 on the original substrate, and no single-crystal GaAs layer is formed in the other regions. After that, an element such as a field effect transistor is formed on each single crystal semiconductor layer.

以上の工程によって、1枚の基体11の上面内に複数の半導体材料からなる単結晶半導体層が離隔して配置された半導体装置が得られる。なお、ここでは3種類の半導体材料からなる単結晶半導体層を1枚の基体11の主面に形成する場合を例に示したが、1枚の基体11に形成する半導体材料の種類について、これに限定されるものではない。   Through the above steps, a semiconductor device is obtained in which single-crystal semiconductor layers made of a plurality of semiconductor materials are spaced apart from each other in the upper surface of a single substrate 11. Note that, here, the case where a single crystal semiconductor layer made of three kinds of semiconductor materials is formed on the main surface of one base 11 is shown as an example, but the types of semiconductor materials formed on one base 11 are It is not limited to.

第5の実施形態では、単結晶半導体層の材料が異なる素子も、1枚の基体11上に混在して形成することができるという効果を有する。たとえば、高速高機能な半導体装置を、素子特性に最も適合した半導体材料(たとえばn型電界効果型トランジスタの場合にはSi、p型電界効果型トランジスタの場合にはGe)上に、廉価に製造することが可能となる。これによって、記憶機能 (メモリ)、演算機能(ロジック)、検知感覚機能(センサ)、表示機能(ディスプレイ)および通信機能などの大きく異なる機能を持つ電子回路を、同一の基体11の一の主面上に有する複合電子機器を製造することができる。   In the fifth embodiment, there is an effect that elements having different materials for the single crystal semiconductor layer can also be formed on the single substrate 11. For example, a high-speed and high-performance semiconductor device can be manufactured at low cost on a semiconductor material (for example, Si for an n-type field effect transistor or Ge for a p-type field effect transistor) most suitable for element characteristics. It becomes possible to do. As a result, an electronic circuit having greatly different functions such as a storage function (memory), a calculation function (logic), a detection sensation function (sensor), a display function (display), and a communication function can be provided on one main surface of the same substrate 11. A composite electronic device can be manufactured.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

11…基体、12…アモルファスSi層、12a〜12j,21,52a〜52h,53…単結晶Si層、13…第1半導体層、14,16,18…層間絶縁膜、15…第2半導体層、17…第3半導体層、22…単結晶GaN層、23…単結晶GaAs層、50,50A…原版基体、51…基体、55…貫通孔、61,62…CeO2膜、61a〜61c,62a〜62c…単結晶CeO2膜、100…半導体装置の製造システム、110…原版基体搬送ライン、111,121…支持体、120…基体搬送ライン、131,133…CeO2膜塗布部、132…アモルファスSi層形成部、134…加熱部、135…CeO2膜除去部、136…CeO2再生部、137…アモルファスSi層除去部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Base | substrate, 12 ... Amorphous Si layer, 12a-12j, 21, 52a-52h, 53 ... Single-crystal Si layer, 13 ... 1st semiconductor layer, 14, 16, 18 ... Interlayer insulation film, 15 ... 2nd semiconductor layer , 17 ... third semiconductor layer, 22 ... single crystal GaN layer, 23 ... single crystal GaAs layer, 50, 50A ... original substrate, 51 ... base, 55 ... through hole, 61, 62 ... CeO 2 film, 61 a to 61 c, 62 a - 62 c ... monocrystalline CeO 2 film, 100 ... semiconductor device manufacturing system, 110 ... master substrate transfer line, 111, 121 ... support, 120 ... substrate transfer line, 131 and 133 ... CeO 2 film coating unit, 132 ... Amorphous Si layer forming part, 134... Heating part, 135... CeO 2 film removing part, 136... CeO 2 regeneration part, 137... Amorphous Si layer removing part.

Claims (11)

複数の第1単結晶半導体層が離隔して形成された絶縁性の第1基体を準備する第1基体準備工程と、
絶縁性の第2基体上に前記第1単結晶半導体層と同じ材料からなるアモルファス半導体層を形成するアモルファス半導体層形成工程と、
前記第1基体または前記第2基体の少なくとも一方に、前記第1単結晶半導体層および前記アモルファス半導体層と選択的に除去可能で、下地の結晶構造を引き継いで結晶化する材料からなる媒体膜を形成する媒体膜形成工程と、
前記第1基体の第1単結晶半導体層と前記第2基体の前記アモルファス半導体層とを前記媒体膜を介して接触させる接触工程と、
前記第1単結晶半導体層と前記アモルファス半導体層とが前記媒体膜を介して接触した状態で加熱し、前記媒体膜と前記アモルファス半導体層とを前記第1単結晶半導体層の結晶構造と結晶方位と整合して結晶化させ、前記第1単結晶半導体層の形成領域に対応する領域に第2単結晶半導体層を形成する結晶化工程と、
前記第1単結晶半導体層および前記第2単結晶半導体層を残存させつつ前記媒体膜を除去し、前記第1基体と前記第2基体とを分離する媒体膜除去工程と、
前記第2基体の前記アモルファス半導体層を除去するアモルファス半導体層除去工程と、
を含み、
前記第1単結晶半導体層と前記アモルファス半導体層は、Siからなり、
前記媒体膜は、CeO2からなり、
前記媒体膜除去工程では、硫酸と過酸化水素水の混合液または硝酸溶液に、接触状態にある前記第1基体と前記第2基体を浸潤させて、前記媒体膜を除去し、
前記アモルファス半導体層除去工程では、フッ酸、硝酸および酢酸の混合液に、前記第2基体を浸潤させて、前記アモルファス半導体層を除去することを特徴とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A first substrate preparation step of preparing an insulating first substrate formed by separating a plurality of first single crystal semiconductor layers;
An amorphous semiconductor layer forming step of forming an amorphous semiconductor layer made of the same material as the first single crystal semiconductor layer on an insulating second substrate;
A medium film made of a material that can be selectively removed from the first single crystal semiconductor layer and the amorphous semiconductor layer and crystallizes by taking over the underlying crystal structure on at least one of the first base and the second base. A medium film forming step to be formed;
Contacting the first single crystal semiconductor layer of the first substrate with the amorphous semiconductor layer of the second substrate via the medium film;
The first single crystal semiconductor layer and the amorphous semiconductor layer are heated while being in contact with each other through the medium film, and the medium film and the amorphous semiconductor layer are heated to have a crystal structure and a crystal orientation of the first single crystal semiconductor layer. And a crystallization step of forming a second single crystal semiconductor layer in a region corresponding to the formation region of the first single crystal semiconductor layer,
A medium film removing step of removing the medium film while leaving the first single crystal semiconductor layer and the second single crystal semiconductor layer, and separating the first base and the second base;
An amorphous semiconductor layer removing step of removing the amorphous semiconductor layer of the second substrate;
Including
The first single crystal semiconductor layer and the amorphous semiconductor layer are made of Si,
The medium film is composed CeO 2,
In the medium film removal step, the medium film is removed by infiltrating the first substrate and the second substrate in contact with a mixed solution or nitric acid solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution,
In the amorphous semiconductor layer removing step, the amorphous semiconductor layer is removed by infiltrating the second substrate with a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid and acetic acid. .
複数の第1単結晶半導体層が離隔して形成された絶縁性の第1基体を準備する第1基体準備工程と、
絶縁性の第2基体上に前記第1単結晶半導体層と同じ材料からなる第1アモルファス半導体層を形成する第1アモルファス半導体層形成工程と、
前記第1基体または前記第2基体の少なくとも一方に、前記第1単結晶半導体層および前記第1アモルファス半導体層と選択的に除去可能で、下地の結晶構造を引き継いで結晶化する材料からなる第1媒体膜を形成する第1媒体膜形成工程と、
前記第1基体の第1単結晶半導体層と前記第2基体の前記第1アモルファス半導体層とを前記第1媒体膜を介して接触させる接触工程と、
前記第1単結晶半導体層と前記第1アモルファス半導体層とが前記第1媒体膜を介して接触した状態で加熱し、前記第1媒体膜と前記第1アモルファス半導体層とを前記第1単結晶半導体層の結晶構造と結晶方位と整合して結晶化させ、前記第1単結晶半導体層の形成領域に対応する領域に第2単結晶半導体層を形成する結晶化工程と、
前記第1単結晶半導体層および前記第2単結晶半導体層を残存させつつ前記第1媒体膜を除去し、前記第1基体と前記第2基体とを分離する第1媒体膜除去工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A first substrate preparation step of preparing an insulating first substrate formed by separating a plurality of first single crystal semiconductor layers;
A first amorphous semiconductor layer forming step of forming a first amorphous semiconductor layer made of the same material as the first single crystal semiconductor layer on an insulating second substrate;
At least one of the first base and the second base is made of a material that can be selectively removed from the first single crystal semiconductor layer and the first amorphous semiconductor layer and that crystallizes by taking over the underlying crystal structure. A first medium film forming step of forming one medium film;
Contacting the first single crystal semiconductor layer of the first substrate with the first amorphous semiconductor layer of the second substrate via the first medium film;
The first single crystal semiconductor layer and the first amorphous semiconductor layer are heated in contact with each other via the first medium film, and the first medium film and the first amorphous semiconductor layer are heated to the first single crystal. A crystallization step of crystallizing in conformity with the crystal structure and crystal orientation of the semiconductor layer and forming a second single crystal semiconductor layer in a region corresponding to the formation region of the first single crystal semiconductor layer;
A first medium film removing step of removing the first medium film while leaving the first single crystal semiconductor layer and the second single crystal semiconductor layer and separating the first base and the second base;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1媒体膜除去工程の後に、前記第2基体の前記第1アモルファス半導体層を除去する第1アモルファス半導体層除去工程をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。   3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, further comprising a first amorphous semiconductor layer removing step of removing the first amorphous semiconductor layer of the second substrate after the first medium film removing step. . 前記第1媒体膜除去工程の後、前記第1基体を再利用し、新たな前記第2基体に対して前記第1基体準備工程から前記第1媒体膜除去工程までの処理を繰り返し行うことを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置の製造方法。   After the first medium film removal step, the first substrate is reused, and the processing from the first substrate preparation step to the first medium film removal step is repeatedly performed on the new second substrate. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the method is a semiconductor device manufacturing method. 前記第1単結晶半導体層と前記第1アモルファス半導体層は、Siからなり、
前記第1媒体膜は、CeO2からなることを特徴とする請求項2から4のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
The first single crystal semiconductor layer and the first amorphous semiconductor layer are made of Si,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2 , wherein the first medium film is made of CeO 2 .
前記第1単結晶半導体層と前記第1アモルファス半導体層は、Siからなり、
前記第1媒体膜は、BaTiO3,SrTiO3,ZrO2,Y23,SrO,BaO,SrRuO3,Bi2Sr2CuO,SrBi2Ta29,MgO,GeとSiの混晶からなる群から選択される1つの材料であることを特徴とする請求項2から4のいずれか1つに半導体装置の製造方法。
The first single crystal semiconductor layer and the first amorphous semiconductor layer are made of Si,
The first medium film is made of a mixed crystal of BaTiO 3 , SrTiO 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , SrO, BaO, SrRuO 3 , Bi 2 Sr 2 CuO, SrBi 2 Ta 2 O 9 , MgO, Ge and Si. 5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the material is one material selected from the group consisting of:
前記複数の第1単結晶半導体層は、表面方向の結晶方位が異なる単結晶半導体層を複数有することを特徴とする請求項2から6のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the plurality of first single crystal semiconductor layers include a plurality of single crystal semiconductor layers having different crystal orientations in a surface direction. 前記第2基体には、前記第2基体の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項2から7のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the second base is provided with a plurality of through holes penetrating in a thickness direction of the second base. . 前記第1アモルファス半導体層除去工程の後に、前記第2単結晶半導体層を覆うとともに、上面が平坦化された層間絶縁膜を前記第2基体上に形成する工程と、
前記第1単結晶半導体層とは異なる材料から構成される複数の第3単結晶半導体層が離隔して形成された絶縁性の第3基体を準備する工程と、
前記層間絶縁膜が形成された前記第2基体上に前記第3単結晶半導体層と同じ材料からなる第2アモルファス半導体層を形成する工程と、
前記第2基体または前記第3基体の少なくとも一方に、前記第3単結晶半導体層および前記第2アモルファス半導体層と選択的に除去可能で、下地の結晶構造を引き継いで結晶化する材料からなる第2媒体膜を形成する工程と、
前記第3基体の第3単結晶半導体層と前記第2基体の前記第2アモルファス半導体層とを前記第2媒体膜を介して接触させる工程と、
前記第3単結晶半導体層と前記第2アモルファス半導体層とが前記第2媒体膜を介して接触した状態で加熱し、前記第2媒体膜と前記第2アモルファス半導体層とを前記第3単結晶半導体層の結晶構造と結晶方位と整合して結晶化させ、前記第3単結晶半導体層の形成領域に対応する領域に第4単結晶半導体層を形成する工程と、
前記第3単結晶半導体層および前記第4単結晶半導体層を残存させつつ前記第2媒体膜を除去し、前記第3基体と前記第2基体とを分離する工程と、
前記第2基体の前記第2アモルファス半導体層を除去する工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
After the first amorphous semiconductor layer removing step, forming an interlayer insulating film covering the second single crystal semiconductor layer and having a planarized upper surface on the second substrate;
Preparing an insulating third substrate formed by separating a plurality of third single crystal semiconductor layers made of a material different from the first single crystal semiconductor layer;
Forming a second amorphous semiconductor layer made of the same material as the third single crystal semiconductor layer on the second substrate on which the interlayer insulating film is formed;
At least one of the second base and the third base is made of a material that can be selectively removed from the third single crystal semiconductor layer and the second amorphous semiconductor layer and that crystallizes by taking over the underlying crystal structure. Forming a two-media film;
Contacting the third single crystal semiconductor layer of the third substrate and the second amorphous semiconductor layer of the second substrate via the second medium film;
The third single crystal semiconductor layer and the second amorphous semiconductor layer are heated while being in contact with each other via the second medium film, and the second medium film and the second amorphous semiconductor layer are heated to the third single crystal. Crystallizing in conformity with the crystal structure and crystal orientation of the semiconductor layer, and forming a fourth single crystal semiconductor layer in a region corresponding to the formation region of the third single crystal semiconductor layer;
Removing the second medium film while leaving the third single crystal semiconductor layer and the fourth single crystal semiconductor layer, and separating the third base and the second base;
Removing the second amorphous semiconductor layer of the second substrate;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, further comprising:
前記第1単結晶半導体層とは異なる材料から構成される複数の第3単結晶半導体層が離隔して、前記第1単結晶半導体層の形成位置とは異なる位置に形成された絶縁性の第3基体を準備する工程と、
前記第2単結晶半導体層が形成された前記第2基体上に前記第3単結晶半導体層と同じ材料からなる第2アモルファス半導体層を形成する工程と、
前記第2基体または前記第3基体の少なくとも一方に、前記第3単結晶半導体層および前記第2アモルファス半導体層と選択的に除去可能で、下地の結晶構造を引き継いで結晶化する材料からなる第2媒体膜を形成する工程と、
前記第3基体の第3単結晶半導体層と前記第2基体の前記第2アモルファス半導体層とを前記第2媒体膜を介して接触させる工程と、
前記第3単結晶半導体層と前記第2アモルファス半導体層とが前記第2媒体膜を介して接触した状態で加熱し、前記第2媒体膜と前記第2アモルファス半導体層とを前記第3単結晶半導体層の結晶構造と結晶方位と整合して結晶化させ、前記第3単結晶半導体層の形成領域に対応する領域に第4単結晶半導体層を形成する工程と、
前記第3単結晶半導体層および前記第4単結晶半導体層を残存させつつ前記第2媒体膜を除去し、前記第3基体と前記第2基体とを分離する工程と、
前記第2基体の前記第2アモルファス半導体層を除去する工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
A plurality of third single crystal semiconductor layers made of a material different from that of the first single crystal semiconductor layer are separated from each other, and an insulating first electrode formed at a position different from the formation position of the first single crystal semiconductor layer is formed. Preparing three substrates;
Forming a second amorphous semiconductor layer made of the same material as the third single crystal semiconductor layer on the second substrate on which the second single crystal semiconductor layer is formed;
At least one of the second base and the third base is made of a material that can be selectively removed from the third single crystal semiconductor layer and the second amorphous semiconductor layer and that crystallizes by taking over the underlying crystal structure. Forming a two-media film;
Contacting the third single crystal semiconductor layer of the third substrate and the second amorphous semiconductor layer of the second substrate via the second medium film;
The third single crystal semiconductor layer and the second amorphous semiconductor layer are heated while being in contact with each other via the second medium film, and the second medium film and the second amorphous semiconductor layer are heated to the third single crystal. Crystallizing in conformity with the crystal structure and crystal orientation of the semiconductor layer, and forming a fourth single crystal semiconductor layer in a region corresponding to the formation region of the third single crystal semiconductor layer;
Removing the second medium film while leaving the third single crystal semiconductor layer and the fourth single crystal semiconductor layer, and separating the third base and the second base;
Removing the second amorphous semiconductor layer of the second substrate;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, further comprising:
複数の第1単結晶半導体層が離隔して形成された絶縁性の第1基体を準備する第1基体準備工程と、
絶縁性の第2基体上に前記第1単結晶半導体層と同じ材料からなる非晶質半導体層を形成する非晶質半導体層形成工程と、
前記非晶質半導体層を所定の形状にパターニングするパターニング工程と、
前記第1基体または前記第2基体の少なくとも一方に、前記第1単結晶半導体層および前記非晶質半導体層と選択的に除去可能で、下地の結晶構造を引き継いで結晶化する材料からなる媒体膜を形成する媒体膜形成工程と、
前記第1基体の第1単結晶半導体層と前記第2基体の前記非晶質半導体層とを前記媒体膜を介して接触させる接触工程と、
前記第1単結晶半導体層と前記非晶質半導体層とが前記媒体膜を介して接触した状態で加熱し、前記媒体膜と前記パターニングされた前記非晶質半導体層とを結晶化させて第2単結晶半導体層を形成する結晶化工程と、
前記第1単結晶半導体層および前記第2単結晶半導体層を残存させつつ前記媒体膜を除去し、前記第1基体と前記第2基体とを分離する第1媒体膜除去工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A first substrate preparation step of preparing an insulating first substrate formed by separating a plurality of first single crystal semiconductor layers;
An amorphous semiconductor layer forming step of forming an amorphous semiconductor layer made of the same material as the first single crystal semiconductor layer on the insulating second substrate;
A patterning step of patterning the amorphous semiconductor layer into a predetermined shape;
A medium made of a material that can be selectively removed from the first single crystal semiconductor layer and the amorphous semiconductor layer on at least one of the first base and the second base and crystallizes by taking over the underlying crystal structure. A medium film forming step of forming a film;
Contacting the first single crystal semiconductor layer of the first substrate with the amorphous semiconductor layer of the second substrate via the medium film;
The first single crystal semiconductor layer and the amorphous semiconductor layer are heated in a state of being in contact with each other through the medium film, and the medium film and the patterned amorphous semiconductor layer are crystallized to form a first layer. Crystallization step of forming two single crystal semiconductor layers;
A first medium film removing step of removing the medium film while leaving the first single crystal semiconductor layer and the second single crystal semiconductor layer, and separating the first base and the second base;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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